科学家在嫦娥五号月壤中发现铁橄榄石分解成因单质金属铁

该研究结果表明，月壤形成过程中的冲击破碎作用以及月壤演化过程中微陨石撞击的局部热作用是嫦娥五号月壤中铁橄榄石分解形成纳米金属铁的主要原因，同时也可能是全月表月壤形成与演化初期阶段纳米金属铁的重要形成机制之一。

纳米级单质金属铁（Nanophase iron particles, npFe0）是太空风化作用的特征产物，广泛存在于月壤矿物颗粒的表层非晶质环带以及胶结质玻璃中，其主要研究意义在于：1. 纳米金属铁能够显著改变月壤的反射光谱特征，使其反射率降低、特征吸收峰减弱以及连续统斜率红移，因此对月球光谱遥感探测数据的解译具有重要影响；2. 纳米金属铁的均值粒径、赋存状态以及形成机制与月壤的形成与演化过程密切相关，因此通过研究纳米金属铁可以获取大量月壤形成演化以及月表空间环境演变历史的信息。纳米金属铁最先被发现于Apollo月壤之中，其成因主要被归结于陨石、微陨石轰击引起的月表物质及撞击体的汽化沉积作用[1-3]，并得到了大量月壤、月球陨石以及地面模拟实验结果的证实。后续虽有其他成因机制被提出，例如太阳风H注入还原成因，但尚未有直接可靠的样品分析或模拟实验结果的证实。然而，Apollo六次登月工程采集的月壤样品均具有较古老的地质年龄和较长的空间暴露历史，证明其经受了长期频繁的太空风化作用改造，这使得Apollo月壤中纳米金属铁具有较为单一的蒸汽沉积成因特征的同时，可能也掩盖了月壤形成与演化初期阶段不同成因单质金属铁的相关信息。

2020年12月17日，中国嫦娥五号探月工程成功地采集了位于风暴洋北部（43.06°N，51.92°W）的月球样品并返回地球。同位素年代学的分析结果已经证明了嫦娥五号样品具有当前已知最年轻的玄武岩年龄（~ 20亿年）[4]，结合前期研究结果可知，嫦娥五号采样区表面月壤的形成年龄以及空间暴露历史远小于Apollo月壤[5]。因此，嫦娥五号样品中可能保留了月壤形成与演化初期阶段单质金属铁形成机制的相关信息。在以上思路的指引下，同时结合前期陨石学研究结果[6-7]，中国科学院地球化学研究所李阳研究团队重点开展嫦娥五号铲取月壤粉末样品中富铁橄榄石原位微区电子学分析。实验结果表明嫦娥五号月壤样品中铁橄榄石颗粒的边缘普遍具有含气孔纳米金属铁与无定形富硅组分以及富镁层共存的特征（图1），通过热力学计算以及电子损失能量谱（EELS）分析，纳米金属铁内部的纳米级囊泡可能是由O2和SiO气体形成（图2）。基于上述分析结果，我们确定了月壤中铁橄榄石分解形成纳米金属铁的形成机制以及相关产物。铁橄榄石表层熔融层以及蒸发沉积层的缺失指示了分解反应在亚固相的条件下发生，该反应发生的热源可能来自于矿物破碎过程中的摩擦作用或者低速的微陨石轰击产生的局部热效应。另一方面，由铁橄榄石分解在月壤颗粒表面产生的纳米金属铁通常具有中等的粒径范围（10-35 nm），基于前人的研究，该粒径的纳米金属铁对光谱的改造效应不同于蒸发沉积作用形成的极细粒纳米金属铁（~3 nm），因此月球表面由镁铁硅酸盐分解产生的纳米金属对月壤光谱改造的贡献需要进一步考虑。

图1. 嫦娥五号月壤铁橄榄石颗粒最表层环带的成分特征，主要由含气孔纳米金属铁（v-npFe0），富镁层（Mg-layer）以及富硅组分（Si）组成。

本研究结果证实了月壤中单质金属铁新的成因机制，为嫦娥五号着陆区月壤形成与演化过程的研究提供了参考依据，同时也为后续月球、小行星等返回样品分析提供了新的思路。审稿人对此工作均作出正面评价，认为该研究结果是区别于Apollo样品的一类典型微观结构，并且对于解释太阳系无大气行星体表面性质具有重要意义（Reviewer #1: This paper describes very interesting space weathering features in the rim of Fe-rich olivine returned Chang’E-5, and space weathering in such high-Fe silicates has not yet been reported on in lunar samples； Reviewer #2: This manuscript well presents important findings to interpret the Surface properties of airless bodies in the Solar System）。

图2. 含气孔单质金属铁的电子能量损失谱（EELS）线扫描和透射电镜能谱仪（EDS）面扫描结果。

近期该项研究成果以“Nanophase Iron Particles Derived From Fayalitic Olivine Decomposition in Chang'E-5 Lunar Soil: Implications for Thermal Effects During Impacts” 为题发表在Nature Index期刊《Geophysical Research Letters》上，论文第一作者是中国科学院地球化学研究所博士研究生郭壮，通讯作者是中国科学院地球化学研究所李阳副研究员。该成果得到了中国国家航天局嫦娥五号月壤样品（CE5C0400YJFM00505）的支持以及中科院类地行星先导专项（XDB41000000）、国家自然科学基金委重点基金（41931077）、国防科工局民用航天项目（D020201）、中科院青年创新促进会（2020395）以及中科院重点部署、前沿重点（ZDBS-SSW-JSC007-10，QYZDY-SSW-DQC02）等项目的资助。

参考文献：

1) Keller, L. P., & Mckay, D. S. (1993). Discovery of vapor deposits in the lunar regolith. Science, 261, 1305–1307. https://doi.org/10.1126/science.261.5126.1305

2) Keller, L. P., & McKay, D. S. (1997). The nature and origin of rims on lunar soil grains. Geochimica et Cosmochimica Acta, 61, 2331–2341. https://doi.org/10.1016/s0016-7037(97)00085-9

3) Anand, M., Taylor, L. A., Nazarov, M. A., et al., (2004). Space weathering on airless planetary bodies: Clues from the lunar mineral hapkeite. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101, 6847–6851. https://doi.org/10.1073/pnas.0401565101

4) Li Q., Zhou Q., Liu Y., et al., (2021) Two-billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature, 600, 54-58. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2

5) Qian, Y., Xiao, L., Head, J. W., et al.， (2021). Copernican-aged (<200 Ma) impact Ejecta at the Chang'E-5 landing site: Statistical evidence from crater morphology, morphometry, and degradation models. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL095341. https://doi.org/10.1029/2021GL095341

6) Guo, Z., Li, Y., Chen, H. Y., et al. (2021). Evidence for the disproportionation of iron in a Eucrite meteorite: Implications for impact processes on Vesta. Journal of Geophysical Research: Planets, 126, e2020JE006816. https://doi.org/10.1029/2020JE006816

7)Guo, Z., Li, Y., Liu, S., et al. (2020). Discovery of nanophase iron particles and high pressure clinoenstatite in a heavily shocked ordinary chondrite: Implications for the decomposition of pyroxene. Geochimica et Cosmochimica Acta, 272, 276–286. https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.036